TERREMOTO DE IQUIQUE Mw=8,2 – 01 ABRIL 2014

Paper N° 221

TERREMOTO DE IQUIQUE Mw=8,2 -‐ 01 ABRIL 2014: DAÑOS OBSERVADOS Y EFECTOS DE SITIO EN ESTRUCTURAS DE ALBAÑILERÍA

G. Valdebenito(1), D. Alvarado(1) C. Sandoval(2), V. Aguilar(3)

(1) Académico, Instituto de Obras Civiles, Universidad Austral de Chile, [email protected] ; [email protected] (2) Académico, Depto. Ingeniería Estructural y Geotécnica, Pontificia Universidad Católica de Chile, [email protected] (3) Investigador, Instituto de Arquitectura y Urbanismo, Universidad Austral de Chile, [email protected]

Resumen El día martes 1 de abril de 2014 ocurre un sismo de magnitud Mw = 8.2 con epicentro localizado frente a las costas de Iquique y Pisagua (Chile), con profundidad hipocentral de 38.9 km, que reportó una intensidad de VII (MM) en las ciudades de Arica e Iquique.

En respuesta al severo evento, se realizó una campaña de campo en las ciudades de Iquique y Alto Hospicio con el objeto de dimensionar daños en edificios de albañilería de 2 a 5 pisos y contrastarlos con eventuales efectos de sitio. El presente artículo presenta el análisis de campo realizado sobre 6 conjuntos habitacionales (donde 5 de ellos presentaron daño moderado a fuerte. En orden a conocer las frecuencias principales de vibración y modos predominantes post-‐terremoto de las construcciones bajo estudio, fueron llevadas a cabo mediciones de ruido ambiental empleando acelerómetros triaxiales en cada piso. Por otro lado, para identificar posibles problemas en la interacción suelo-‐estructura, se determinaron los periodos predominantes de vibración del suelo asociado a cada conjunto habitacional aplicando el método de la razón espectral H/V a registros de microvibraciones ambientales.

De los análisis llevados a cabo se desprende que la evidencia de mal desempeño en ciertos edificios responde a problemas de configuración estructural y vicios constructivos, principalmente asociados a los efectos de columna corta. Por otra parte, los parámetros dinámicos levantados muestran que en los edificios que sufrieron mayores daños la interacción suelo-‐estructura tuvo un rol significativo.

Palabras Clave: Terremoto Iquique 2014, daño observado, efectos de sitio, Albañilería

Abstract On April 1, 2014, a strong Mw = 8.2 earthquake occurred on the coast of Iquique (Chile), with hypo central depth of 38.9 km. The reported intensity was VII (MM) in the cities of Arica and Iquique.

As response to this severe event, an interdisciplinary team led by specialists from Universidad Austral de Chile (UACh) and Universidad Católica de Chile (UC), conducted a field exploration on the most affected areas. The purpose of this field trip was assessing observed seismic damage and correlate with possible site-‐effects on masonry buildings (3-‐5 stories). With this goal, six damaged buildings were analyzed, and 2 buildings without damage were considered too. With the purpose of evaluate the dynamic response of each building, the main vibration frequencies and modal shapes were obtained using triaxial accelerometers. On the other hand, to identify potential problems in soil-‐structure interaction, the predominant periods of soils applying the H/V spectral ratio method was also evaluated.

Results of the field exploration and post-‐processing data shows evidence of poor performance in certain buildings that respond to problems of structural configuration and construction defects, mainly associated with the effects of short column. Moreover, the inclusion and evaluation of the dynamic soil and structural parameters, show that some structures were also affected by the soil-‐structure interaction, aspect that can explain some damage in apparent regular and well designed buildings.

Keywords: 2014 Iquique Earthquake, Observed Damage, Site-‐Effects, Masonry

XI Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Sísmica ACHISINA 2015 Santiago de Chile, 18-20 de Marzo, 2015

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1 Introducción

En Chile, la albañilería es el sistema estructural más usado para la construcción de viviendas y edificios de hasta 5 pisos. El Instituto del Cemento y del Hormigón [1] reporta que aproximadamente dos tercios de las viviendas que se construyen anualmente corresponden a albañilería de ladrillos cerámicos, lo que equivale a alrededor de 70.000 viviendas al año. Dentro de este sistema, la albañilería conformada con bloques de hormigón es una de las tipologías predominantes de las regiones I, II, III y XV del Norte de Chile; lugar que ha sido escenario de grandes eventos sísmicos, como los ocurridos en Arica en 1868 (Mw=9.0), Iquique en 1877 (Mw=8.5) y Antofagasta en 1950 (Mw=8.0).

Dada la evidente vulnerabilidad que presenta este tipo de construcciones, y como reacción al terremoto de Iquique del 01 de abril de 2014, un equipo interdisciplinario de especialistas de la Universidad Austral de Chile y de la Pontificia Universidad Católica de Chile llevaron a cabo campañas de campo orientadas a evaluar el daño a partir de observaciones en edificios de viviendas sociales de albañilería de 2 a 5 pisos. Estos daños observados fueron contrastados con las propiedades frecuenciales de los conjuntos habitacionales estudiados y con la respuesta dinámica del suelo, con el objetivo principal de correlacionar el daño con probables efectos de sitio. La evaluación incluyó campañas de evaluaciones visuales de daño, instrumentación de los edificios para identificación de frecuencias fundamentales y modos asociados, así como determinación de frecuencias predominantes del suelo en las zonas asociadas al emplazamiento de las estructuras. A partir de estos datos se pretende evaluar posibles causas y vicios constructivos que influyen en la respuesta sísmica de las estructuras.

2 Contexto sismo tectónico del Norte de Chile

El norte de Chile y el sur del Perú son zonas conocidas mundialmente por la ocurrencia de grandes terremotos. Informes históricos evidencian grandes sismos con tsunamis destructivos, destacando los terremotos de agosto de 1868 y mayo de 1877, ambos con magnitudes estimadas en torno a 9 [2]. Entre los terremotos recientes, el terremoto del 23 de junio de 2001 tuvo una magnitud M=8.4, y su zona de ruptura se extiende hasta la localidad de Ilo, en el sur del Perú [3].

Fig. 1 -‐ Situación tectónica y localización de las zonas de ruptura de los últimos terremotos significativos en

la zona norte de Chile [3]

El año 2007, un terremoto de menor magnitud (Mw=7.7) afectó principalmente a la ciudad de Tocopilla. Según Barrientos [3], la zona de ruptura de este evento se encuentra confinada solamente al sector más profundo de la zona de contacto entre ambas placas, por lo que se concluye que segmento del contacto que se localiza bajo el mar, hacia la fosa, seguía sin activarse sísmicamente hasta el reciente evento de 1 de abril (Fig. 1).


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En base a la situación tectónica y la localización de las zonas de ruptura de los últimos terremotos significativos en la zona norte, se divide la región definida como brecha sísmica en dos sectores: uno correspondiente a la parte sur de Perú y norte de Chile, que no ha sido activada desde 1868 y el otro a la parte norte de Chile, desde 1877 [3].

En estas latitudes, la placa de Nazca y la placa Sudamericana convergen con una tasa de 67 mm/año [4], lo cual ha acumulado un déficit de desplazamientos co-‐sísmicos de aproximadamente 9 metros, desde el año 1877 [5]. Cabe destacar que en el contacto entre ambas placas el desplazamiento no es homogéneo, existiendo zonas en donde incluso existe un grado de bloqueo o trabazón entre estas. Según Barrientos [3], el gap sísmico del norte de Chile que produjo el terremoto de mayo de 1877 no consiste en un único segmento, sino en dos segmentos que están separados en una zona baja acoplada frente a Iquique, los cuales podrían interactuar a través de varias fases de un ciclo sísmico. Según modelos de deformación elástica obtenidos por repeticiones GPS e InSAR, Bejar-‐Pizarro [6] mencionó la posibilidad de que los desplazamientos sean suficientes para generar un evento de magnitud M=8.6.

3 El terremoto de Iquique del 1 de abril de 2014

El terremoto del día 1 de abril de 2014 tuvo una magnitud Mw=8.2 y ocurrió a las 20:46:46, hora local. Su epicentro se localizó en las coordenadas geográficas 19.642°S y 70.817°W, frente a las costas de Iquique y Pisagua. La profundidad hipocentral fue de 20.1 km. Las características del mecanismo obedecen al desplazamiento de la placa de Nazca bajo la placa Sudamericana, como resultado de un fallado inverso de poca profundidad. Estimaciones de deslizamiento en la falla indican que el desplazamiento ocurre principalmente en la zona más profunda del acoplamiento [3].

Respecto a la sismicidad precursora al evento, destaca un evento que presentó un mecanismo de falla similar, ocurrido del 16 de marzo de 2014 de magnitud M=6.7. Este evento fue seguido por más de 60 terremotos de magnitudes mayores a 4 y 26 eventos de magnitud mayor a 5 [7]. El terremoto de 16 de marzo también fue seguido por tres eventos de magnitud M=6.2 el 17 de marzo, 22 de marzo y 23 de marzo. La distribución espacial de la sismicidad después del evento 16 de marzo emigró espacialmente hacia el norte a través del tiempo, comenzando cerca 20°S hasta llegar a 19.5°S. La ubicación inicial del terremoto de 01 de abril coloca el evento cerca del extremo norte de esta secuencia sísmica [7]. Todos estos eventos corresponden a un contexto de sismicidad interplaca.

Luego del evento del 1 de abril, la zona de bloqueo o "laguna sísmica" se divide en tres sectores de tamaño similar. El sector activado presenta unos 150 km de extensión, abarcando aproximadamente desde Pisagua hasta Punta Patache y presentando un desplazamiento máximo de unos 5-‐6 m, ubicados principalmente en la parte más profunda de la zona de contacto entre placas [3].

4 Observaciones de campo

Se visitaron 5 conjuntos de edificios, evaluando un total de 8 inmuebles. Conjunto Las Dunas (3), Conjunto Los Alelíes (2), Conjunto Pablo Neruda (1), Conjunto Los Cóndores (1) y el Conjunto Padre Hurtado (1). En general las estructuras son regulares en altura, configuración en planta regular y simétrica, con muros dispuestos en dos direcciones principales. La mayoría de las plantas son rectangulares con sistemas de piso de losa de hormigón armado.

En cada uno de los edificios visitados se registra el daño mediante fotografías y la caracterización de fisuras y grietas, esto permite asociar un nivel de daño a cada inmueble. En orden a conocer las


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frecuencias fundamentales y modos asociados post-‐terremoto de las construcciones bajo estudio, fueron llevadas a cabo mediciones de ruido ambiental mediante la instalación de acelerómetros triaxiales en cada piso. Por otra parte, a fin de identificar posibles problemas en la interacción suelo-‐estructura, se determinaron los periodos predominantes de vibración del suelo aplicando el método de la razón espectral H/V de Nakamura [8] a registros de microvibraciones ambientales.

4.1 Conjunto Las Dunas

Este conjunto posee edificios de albañilería armada de 4 niveles. Se analizaron 3 inmuebles que presentaron daños durante el sismo (ver Fig. 2), los que se identifican como A, B y C. El suelo de fundación corresponde a depósitos marinos y eólicos, se estima un Vs30 próximo a 768 m/s y la zona de riesgo califica como 2 [9]. Los edificios A y C presentaron evidentes fallas por corte en el primer nivel, por su parte el edificio B mostro agrietamiento por corte, daño por golpeteo en la zona de la junta y desprendimiento de hormigón en pilares a nivel basal.

Edificio A

Edificio B

Edificio C

Fig. 2 – Daño en edificios conjunto Las Dunas

La Fig. 3 presenta las frecuencias principales de vibración para cada edificio evaluado, las que fluctúan entre 4,6 y 6,8 [Hz], con un aumento de frecuencias asociado al lado largo de la planta. Se prospectaron 2 puntos de microvibraciones obteniendo resultados similares, por lo que se puede inferir que los períodos predominantes del suelo de fundación son similares para los tres edificios en estudio. La Fig. 4 muestra que la frecuencia predominante de vibración del suelo es de 5,13 [Hz], aunque con una transferencia muy baja, esto es, con muy poca evidencia de efectos de sitio. Se


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observa que las frecuencias de los edificios y del suelo son bastante cercanas lo que indiscutiblemente aumenta las demandas y que por tanto, contribuye en el daño observado.

A – fx=5,4 Hz fy=5,0 Hz

B – fx=6,3 Hz fy= 4,6 Hz

C – fx=6,0 Hz fy= 6,8 Hz

Fig. 3 -‐ Frecuencias principales de vibración. Conjunto Las Dunas

Fig. 4 Frecuencia principal de vibración del suelo. Conjunto Las Dunas

4.2 Conjunto Los Alelíes

El conjunto posee edificios de albañilería confinada de 5 niveles. El basamento rocoso se encuentra a niveles muy someros, se estima una velocidad de onda de corte Vs30 próxima a 872 m/s y la zona de riesgo califica como 1 [9]. La Fig. 5 muestra una fotografía satelital del conjunto Los Alelíes en la que se identifican los 4 únicos edificios dañados de todo el conjunto. De éstos se estudiaron 2, identificados como A y B.

La Fig. 6 muestra los daños observados en los inmuebles mencionados. Existen daños por esfuerzo cortante en los 4 primeros pisos y se observa pérdida de sección en las columnas de confinamiento ubicadas en esquinas.


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Fig. 5 Fotografía Satelital Conjunto Los Alelíes

Fig. 6 Daño edificios conjunto Los Alelíes

Se tomaron lecturas de microvibraciones en dos puntos, uno asociado a edificios del conjunto que no presentaron daño y otro en la zona de edificios dañados. Los resultados se muestran en la Fig. 7, donde claramente se observa que el suelo de fundación de los inmuebles dañados presenta una fuerte amplificación en frecuencias en torno a los 29 [Hz], a diferencia del suelo de fundación del resto del conjunto, con nula amplificación dinámica, y coincidentemente sin evidencias de daño.

Suelo edificios sin daño


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Suelos edificios con daño

Fig. 7 Frecuencias principales de vibración del suelo Conjunto Los Alelíes

4.3 Conjunto Pablo Neruda

El edificio analizado consta de 5 niveles y esta construido en albañilería armada. El suelo de fundación corresponde depósitos eólicos de espesor superior a 30m, se estima un Vs

30 próximo a 403 m/s y la zona de riesgo califica como 3 [9]. El inmueble presentó daños por corte evidentes en los muros de todos sus niveles. Los antepechos, elementos no estructurales, se dañaron significativamente debido a que la cantería no fue suficiente para permitir el movimiento lateral relativo durante el sismo. Asimismo, el edificio presenta un acusado daño en la zona de la junta sísmica por golpeteo durante el terremoto (ver Fig. 8). De todos los conjuntos estudiados, este fue el que presentó mayores niveles de daño estructural y no estructural.

Una revisión en detalle del conjunto, evidenció problemas importantes en la configuración estructural. Las principales deficiencias se aprecian en la inexistencia de elementos de confinamiento en algunos muros, la no presencia de elementos de hormigón en algunas esquinas de muros perimetrales, y la distancia excesiva entre los pocos elementos de confinamiento detectados, con la consecuente disminución de la ductilidad.

Fig. 8 Daños edificio Pablo Neruda

La Fig. 9 muestra las frecuencias principales de vibración del edificio fx = 4,5 Hz e fy =2,5 Hz. Por su parte, la Fig. 10 presenta la frecuencia predominante de vibración del suelo estimada en 3,44 Hz, con casi nulos efectos de sitio. Al igual que en el caso del conjunto Las Dunas, la frecuencia de la estructura es similar a la del suelo, lo que en parte incrementa la demanda sísmica. Este hecho,


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sumado a los evidentes problemas de configuración estructural del conjunto, justifican los importantes niveles de daño observados.

fx = 4.5 Hz, fy =2.5 Hz

Fig. 9 Frecuencias principales de vibración. Edificio Pablo Neruda

Fig. 10 Frecuencias principales de vibración del suelo Edificio Pablo Neruda

4.4 Edificio Los Cóndores

El edificio estudiado es de albañilería confinada y posee 3 niveles (ver Fig. 11). El suelo de fundación corresponde a depósitos rígidos compuestos por gravas de espesor cercano a los 15m, la velocidad Vs

30 se estima en 709 m/s y la zona de riesgo califica como 2 [9]. La Fig. 12 muestra los daños que éste presentó durante el sismo donde se pueden observar fallas sistemáticas en todos los edificios por columna corta y fallas por cortante excesivo en muros del primer nivel. Se evidencian además importantes problemas de socavaciones asociados a la naturaleza calcárea del suelo de fundación debido al alto contenido salino de éste.

La Fig. 13 muestra las frecuencias principales de vibración del edificio fx = 12 Hz e fy =7,9 Hz. Por su parte, la Fig. 14 presenta la frecuencia predominante de vibración del suelo estimada en 3,31 Hz. Los daños en este edificio se asocian a problemas en el diseño, detallamiento y socavones por suelo salino, y sin incidencia de efectos de interacción suelo-‐estructura.


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Fig. 11 Vista General Edificio Los Cóndores

Fig. 12 Daños edificio Los Cóndores

Fig. 13 Frecuencias principales de vibración. Edificio Los Cóndores


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Fig. 14 Frecuencias principales de vibración del suelo Edificio Los Cóndores

4.5 Conjunto Padre Hurtado

Los edificios del condominio Padre Hurtado corresponden a edificios construidos en albañilería armada de 5 niveles (ver Fig. 15), fundados prácticamente sobre roca (Vs

30 estimada en 872 m/s) en zona de riego 1 [9]. Estas edificaciones no presentaron daño alguno durante el movimiento telúrico.

La Fig. 16 muestra las frecuencias principales de vibración del edificio fx = 10 Hz e fy =7,1 Hz. Por su parte, la Fig. 17 presenta la frecuencia predominante de vibración del suelo estimada en 58,9 Hz. Las frecuencias del edificio y de su suelo de fundación son muy diferentes.

Fig. 15 Vista general edificios conjunto Padre Hurtado


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Fig. 16 Frecuencias principales de vibración. Conjunto Padre Hurtado

Fig. 17 Frecuencias principales de vibración del suelo conjunto Padre Hurtado

La Tabla 1 resume los principales parámetros que se caracterizaron para cada inmueble evaluado, vale decir: materialidad y número de pisos, frecuencias principales de vibración de las estructuras y del suelo de fundación correspondiente, características geotécnicas del suelo zona de riesgo, profundidad del basamento rocoso, velocidad de onda de corte Vs estimada y graduación del daño (ninguno, leve, moderado, fuerte, severo).

Tabla 1 Resumen campañas y observaciones de campo

Condominio Estructura Suelo

Daño Observado Descripción Fx

[seg.] Fy

[seg.] Fs [seg.] Descripción Suelo Riesgo

[1 a 3] Hroca [m]

Vs30

[m/s]

Las Dunas, Ed. A 4 pisos Albañilería armada

0.19 0.20 0.19 Depósitos marinos y eólicos de bajo espesor.

2 5 a 15 768 Fuerte

Las Dunas, Ed. B 4 pisos Albañilería armada

0.16 0.22 0.19

Depósitos marinos y eólicos de bajo espesor.

2 5 a 15 768 Moderado

Las Dunas, Ed. C 4 pisos Albañilería armada

0.17 0.15 0.19

Depósitos marinos y eólicos de bajo espesor.

2 5 a 15 768 Fuerte

Los Alelíes, A 5 pisos Albañilería confinada

-‐ -‐ 0.03 Roca a niveles muy someros 1 0 872 Leve

Los Alelíes, B 5 pisos Albañilería confinada

-‐ -‐ 0.03 Roca a niveles muy someros 1 0 872 Ninguno/Muy

Leve


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Pablo Neruda 5 pisos Albañilería armada

0.22 0.40 0.29 Depósitos eólicos 3 >30 403 Moderado

Los Cóndores 3 pisos Albañilería Confinada

0.08 0.13 0.30

Depósitos rígidos compuestos por gravas en matriz halita.

2 aprox 15 709 Leve

Padre Hurtado 5 pisos Albañilería armada

0.10 0.14 0.02 Roca a niveles muy someros 1 0 872 Ninguno/Muy

Leve

5 Conclusiones

A la luz de las observaciones y exploraciones realizadas, se puede concluir que existe un destacable rol de los efectos de sitio en la respuesta dinámica de los conjuntos habitacionales estudiados. La frecuencia predominante del suelo es muy similar a la frecuencia de los edificios con mayor daño estructural, esto sugiere la posibilidad de efectos de resonancia suelo-‐estructura, efecto que en varios de los casos analizados pudo haber incrementado la demanda sísmica y con ello justificaría el aumento en los niveles de daño observados.

Se aprecia además daño debido a causas principalmente estructurales asociadas a falta de detallamiento adecuado y ciertos vicios constructivos. Se destaca en este punto la mínima ductilidad provista a algunos conjuntos, al importante efecto en el mal desempeño estructural asociado a la falta de confinamiento en algunos elementos y al efecto de columna corta detectado en algunos edificios

A efectos de reparación y/o refuerzo de las estructuras dañadas, sería deseable modelar adecuadamente, calibrar modelos con mediciones de materiales y de terreno, y luego incorporar y evaluar refuerzos, teniendo en cuenta los efectos suelo-‐estructura donde corresponda, con el propósito de redefinir adecuadamente la demanda sísmica.

6 Agradecimientos

Los autores de este trabajo desean agradecer sinceramente el apoyo económico de la Dirección de Investigación y Desarrollo de la Universidad Austral de Chile, así como a la Facultad de Ciencias de la Ingeniería de UACh para la realización exitosa de la expedición científica. Así mismo, los autores agradecen al Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica de la Pontificia Universidad Católica de Chile por su apoyo en esta iniciativa.

7 Referencias

[1] Instituto del Cemento y del Hormigón ICH (2010)

[2] Kausel E (1986): Los terremotos de Agosto de 1868 y Mayo de 1877 que afectaron el sur del Perú y en norte de Chile. Bol. Acad. Chil. Cienc.,3,8-‐12

[3] Barrientos S (2014): Informe Técnico Terremoto de Iquique, Mw=8.2, 1 de abril de 2014. Centro Sismológico Nacional. Universidad de Chile.

[4] Vigny C, Rudloff A, Ruegg JC, Madariaga R, Campos J, Alvarez M (2009): Upper plate deformation measured by GPS in the Coquimbo Gap, Chile. Phys. Earth planet. Inter., 175(1-‐2), 86-‐95.


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[5] Metois M et al. (2013): Revisiting the North Chile seismic gap segmentation using GPS-‐derived interseismic coupling. Geophys. Jour. Int.,doi: 10.1093/gji/ggt183.

[6] Béjar-‐Pizarro, M. et al. (2013): Andean structural control on interseismic coupling in the NorthChile subduction zone. NatureGeosc. 6, 462-‐46.

[7] U.S. Geological Survey National Earthquake Information Center (2014): M8.2 and Aftershocks Offshore Northern Chile Earthquake of 1 April 2014. Earthquake Summary Map. http:/earthquake.usgs.gov/

[8] Nakamura, Y. (1989). A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface. Railway Technical Research Institute, Quarterly Reports, 30(1).

[9] Becerra, A. (2014). Seismic microzoning of Arica and Iquique, Chile. Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería. Pontificia Universidad Católica de Chile

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